基于梯形励磁的低功耗电磁流量计及其励磁方法技术

本发明专利技术公开了一种基于梯形励磁的低功耗电磁流量计，包括电磁流量传感器和励磁转换系统，所述励磁转换系统包括励磁电路模块、单片机、信号处理模块、电源电路模块、通信电路模块、键盘、LCD显示模块和锂电池，所述电磁流量传感器包括励磁线圈，其特征在于所述励磁线圈上采用梯形励磁电流波形，测量时，励磁转换系统开始供电，当梯形电流励磁时，励磁电路模块中的H桥由低压电源供电，不测量时，H桥不供电，而单片机处于低功耗休眠模式，本发明专利技术大大降低了微分干扰和同相干扰，提高了电磁流量的信噪比，使两节电池至少工作5年，大大满足了很多无市电供电或必须由电池供电、且需要电磁流量计测量流量需求的场合。

【技术实现步骤摘要】
基于梯形励磁的低功耗电磁流量计及其励磁方法
本专利技术涉及电子仪器
，具体地说是一种基于梯形励磁电路的低功耗电磁流量计及其励磁方法。
技术介绍
众所周知，现在北方城市冬天取暖，大都采用集中供暖，按照用户建筑面积计算收费方式不利于节能减排，也不适应市场经济发展的需要，所以，采用一户一表方式计量热量成为趋势。现有的热量表通常包括超声流量计和电磁流量计两种，超声波流量计目前还处于主流产品，其不足是如超声波流量计核心部件超声换能器容易因外壳被腐蚀而损坏；在实际测量时水中的杂质往往较多，杂质会偏移超声波的入射角，测量误差变大；超声波热量表一般要缩小换能器部分的管径，增加了压力损失等。而电磁流量计表体不与水介质接触，相对于超声波流量计优点明显，其包括电磁流量传感器和励磁转换系统，所述励磁转换系统包括励磁电路模块、MCU单片机、信号处理模块、电源电路模块、通信电路模块、键盘、LCD显示模块和锂电池，所述电磁流量传感器包括励磁线圈，MCU单片机通过电源电路模块和励磁电路模块控制电磁流量传感器，电磁流量传感器将检测的信号经信号处理电路处理后上传给MCU单片机，MCU单片机串口通信电路，键盘和LCD显示模块通过数据线与MCU单片机相连接，所述励磁电路模块、MCU单片机、信号处理模块、电源电路模块、通信电路模块、键盘、LCD显示模块和电磁流量传感器经锂电池供电，由于其结构简单、内部无阻流部件、测量精度高等优点，被广泛应用于导电介质流体流量的测量中，特别是各种含有杂质的水煤浆、纸浆的流量测量，请参考文献-ShercliffJA.Thetheoryofelectormagneticflow-measurement【M】.CUPArchive，1962。由于现有的很多流量检测，如野外、油田等流量的计量，特别是家庭应用的热流量计量，必须以电池作为电源供电，因此，整个系统电路由锂电池提供电源，其实质性不足是：由于电磁流量计是基于电磁感应定律工作的，当导电的流体流经电磁流量测量管时，切割传感器内磁场的磁力线，产生感生电动势，流速与感生电压成正比。现在主流电磁流量传感器都采用直流线圈励磁，所以在采样时，电磁流量传感器的磁感应强度通常是恒定的，励磁线圈通恒定电流，产生恒定磁场，通常励磁线圈电压较高、电流比较大，无法采用电池供电。电磁场的磁动势的表达式如下：（1）式中：Iw为磁动势；I为励磁电流；w为线圈匝数；Rc为磁阻；Ф为磁通；L为磁路长度，μ磁导率。通常传感器设计完成后，w、μ、L都为固定值，只要I恒定，就产生恒磁感应强度。为了降低功耗，在2005年，作者靳笑宇,苏兆棠,莫德举发表的《仪器仪表用户》中的“便携式低功耗电磁流量计测量电路的设计”一文中讲述了电磁流量传感器采用三值低频矩形方波的励磁方式，三值低频矩形方波励磁的作用是产生感应强度，这种励磁信号的周期选为160ms，即励磁频率为6.25Hz，为工频的八分频，可对工频干扰起到正负抵消的作用，但是，但励磁电流I（即磁感应强度B）跃变时，从下列式中可以看出，磁感应强度的微分和二次微分趋向于无穷大，导致流量信号加入的干扰很大，请参看下列分析：电磁流量传感器电极两端输出信号由下式表示：（2）其中BvD—流量信号；—微分干扰信号；—同相干扰信号；ec—共模干扰信号；ed—串模干扰信号；es—直流极化电压所述微分干扰是励磁线圈产生的磁场通过检测信号输入回路产生的感生电动势，也就是励磁磁力线通过两个电极、流体及引线构成的回路产生的感生电动势，设计时应尽量将信号回路设计成一个平面，并平行磁力线，减少其干扰。由于磁力线分布并不完全是平行线，此部分干扰总是存在。由此可见，电磁流量计耗能大的主要环节是产生磁场的励磁电路，导致其供电电压高、电流大，功耗大，限制了其在电池供电的场合应用。为了解决这个实质性的不足，节省此部分电流，2008年作者刘可昌等在《微纳电子技术》中发表的“永磁式电磁流量传感器及其信号处理[J]”文献中采用永磁体以形成恒定的励磁磁场，励磁部分不再消耗能量，极大降低了电磁流量计的总功耗，但也存在致命缺点，因为电化学及其他因素会在恒定磁场励磁的电极上产生严重的极化现象，使得随机变化的极化电压完全淹没反映流速大小的感应电动势。另外，测量介质的温度会对磁性材料的磁感应强度产生影响，测量精度会受影响，为了提高测量精度，要对流体介质温度进行补偿，所以，实际应用的电磁流量表很少采用永磁体励磁，其仅仅适应于液态金属的测量。所以，到目前为止，恒磁式励磁技术始终是电磁流量计研究的主要难点之一，请参看2007年姜世金和李斌在《传感器世界》中发表的“恒磁式电磁流量计极化电压控制方法的研究[J]”一书。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种转换效率高、功耗低、电池使用寿命长、降低微分干扰和同相干扰，提高电磁流量信噪比的基于梯形励磁的低功耗电磁流量计。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于梯形励磁的低功耗电磁流量计，包括电磁流量传感器和励磁转换系统，所述励磁转换系统包括励磁电路模块、单片机、信号处理模块、电源电路模块、通信电路模块、键盘、LCD显示模块和锂电池，所述电磁流量传感器包括励磁线圈，所述电磁流量传感器电极两端输出的信号包括流量信号、微分干扰信号、同相干扰信号、共模干扰信号、串模干扰信号和直流极化电压，其特征在于所述励磁线圈上采用梯形励磁电流波形，当梯形电流励磁恒定时，励磁电路模块中的H桥产生低压供电，使加在励磁线圈上的供电电压降低，当梯形电流上升或下降时，电磁流量传感器中的微分干扰是一个常数，而同相干扰为零，所述共模和差模干扰采用放大器引线以双绞线缠绕方式来降低干扰，以利于降低外部电磁场偶合进入传输线而引起的干扰，所述串模干扰采用接地方式去除，所述直流极化电压采用双极性励磁来消除，所述励磁电路模块中的H桥工作过程为:当场效应管T1与T4导通，场效应管T2与T3截止，给励磁线圈加正向励磁电流；当场效应管T1与T4截止，场效应管T2与T3导通，给励磁线圈加反向励磁电流，以保证H桥的场效应管可靠的饱和导通或截止，场效应管T1、T2导通时栅极电压低于-4V，场效应管T3、T4导通时栅极电压大于4V。本专利技术所述励磁电路模块中的运算放大器采用低功耗轨对轨运算放大器作为比较器，其电源电压±5V，在MCU单片机的控制下，输出±5V满足栅极电压的要求，以利于产生H桥工作过程中的栅极电压，有效降低了功耗。本专利技术所述MCU单片机采用MSP430F4793单片机，由于此单片机具有活动模式和五种低功耗模式，在活动模式最大时电流仅有560uA，在低功耗模式最小时电流可达0.1微安，大大降低了功耗的消耗。本专利技术所述电源电路模块采用TPS65130双输出DC/DC转换器，以利于产生正负5V励磁电路所需要的电源。本专利技术所述梯形励磁电流波形产生的励磁方法具体步骤为：电池向高电压高效转换成低电压的电源Vch供电，输出相同励磁电流，在相同时间内电池消耗能量减低，励磁电源Vch为励磁电路模块中的H桥供电，为了降低H桥器件的压降，采用低开通域值电压的耗尽型场效应管，其饱和导通电压低于0.05V，所述励磁电路的电源模块由MCU（CPU单片机）控制，当电源电路模块中的单片机端口线P2.3、单片机端口线P2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于梯形励磁的低功耗电磁流量计，包括电磁流量传感器和励磁转换系统，所述励磁转换系统包括励磁电路模块、单片机、信号处理模块、电源电路模块、通信电路模块、键盘、LCD显示模块和锂电池，所述电磁流量传感器包括励磁线圈，所述电磁流量传感器电极两端输出的信号包括流量信号、微分干扰信号、同相干扰信号、共模干扰信号、串模干扰信号和直流极化电压；其特征在于：所述励磁线圈上采用梯形励磁电流波形，当梯形电流励磁恒定时，励磁电路模块中的H桥产生低压供电，当梯形电流上升或下降时，电磁流量传感器中的微分干扰是一个常数，而同相干扰为零，采用放大器引线以双绞线缠绕的方式来降低共模和差模干扰，所述串模干扰采用接地方式去除；所述励磁电路模块中的H桥工作过程为：场效应管T1与T4导通，场效应管T2与T3截止，给励磁线圈加一个正向梯形励磁电流；场效应管T1与T4截止，场效应管T2与T3导通，给励磁线圈加一个反向梯形励磁电流；所述励磁电路模块中的运算放大器采用低功耗轨对轨运算放大器作为比较器，单片机采用MSP430F4793单片机，所述电源电路模块采用TPS65130双输出DC/DC转换器；所述基于梯形励磁的低功耗电磁流量计的具体励磁步骤为：电池向高电压转换成低电压的电源Vch供电，输出相同励磁电流，在相同时间内电池消耗能量减低，励磁电源Vch为励磁电路模块中的H桥供电，所述励磁电路的电源模块由单片机控制，当电源电路模块中的单片机端口线P2.3、单片机端口线P2.4为低电平时，励磁电路不供电，没有能量损耗，当电源电路模块中的单片机端口线P2.3、单片机端口线P2.4为高电平时，励磁电路模块开始工作，当励磁电路模块中的单片机端口线P2.1低电平、单片机端口线P2.2高电平时，场效应管T1导通，场效应管T3截止，场效应管T2截止，场效应管T4导通，励磁电路模块中的单片机端口线P2.0由低电平变成高电平时，电源电路中的电阻R1一端接单片机接口线P2.0，所述电阻R1和电容C1构成串联电路，所述电容C1的另一端接地，电容C1的交流电压VC1按照指数曲线上升，在励磁线圈的基准电压LM385达到稳压之前，所述交流电压VC1呈近线性上升，电阻R8和电阻R9的中间电压V+线性增加，其控制恒流源Is电流线性增加，其电流从电源Vch加到励磁线圈L1上，电流沿着场效应管 T1、线圈L1的 A 端至 B 端、场效应管T4、经过Vc 点、场效应管T5、经过UR3点、电阻 R3方向流动，产生梯形上升边沿；当电压VC1大于基础电压 LM385时，基准电压LM385开始稳压，此后恒流源电流保持恒定，延时一段时间单片机开始采样；采样后单片机端口线P2.0由高电平变为低电平，电容C1储存的电荷经过R1进行放电，电压VC1近似线性减小，也就是电压V+近似线性减小，则励磁电流按照线性减小，产生梯形下降边沿，单片机端口线P2.1高电平、单片机端口线P2.2低电平时，场效应管T1截止，场效应管T3导通；场效应管T2导通，场效应管T4截止，电流源将由Vch流经场效应管T2、线圈L1的B端至A端、场效应管T3、电压VC、场效应管T5、电阻R3，励磁电流变成负向，控制单片机端口线P2.0变成高电平、低电平，输出一个负向的梯形励磁电流；所述场效应管采用低开通域值电压的耗尽型场效应管，其饱和导通电压低于0.05V。...

【技术特征摘要】
1.一种基于梯形励磁的低功耗电磁流量计，包括电磁流量传感器和励磁转换系统，所述励磁转换系统包括励磁电路模块、单片机、信号处理模块、电源电路模块、通信电路模块、键盘、LCD显示模块和锂电池，所述电磁流量传感器包括励磁线圈，所述电磁流量传感器电极两端输出的信号包括流量信号、微分干扰信号、同相干扰信号、共模干扰信号、串模干扰信号和直流极化电压；其特征在于：所述励磁线圈上采用梯形励磁电流波形，当梯形电流励磁恒定时，励磁电路模块中的H桥产生低压供电，当梯形电流上升或下降时，电磁流量传感器中的微分干扰是一个常数，而同相干扰为零，采用放大器引线以双绞线缠绕的方式来降低共模和差模干扰，所述串模干扰采用接地方式去除；所述励磁电路模块中的H桥工作过程为：场效应管T1与T4导通，场效应管T2与T3截止，给励磁线圈加一个正向梯形励磁电流；场效应管T1与T4截止，场效应管T2与T3导通，给励磁线圈加一个反向梯形励磁电流；所述励磁电路模块中的运算放大器采用低功耗轨对轨运算放大器作为比较器，单片机采用MSP430F4793单片机，所述电源电路模块采用TPS65130双输出DC/DC转换器；所述基于梯形励磁的低功耗电磁流量计的具体励磁步骤为：电池向高电压转换成低电压的电源Vch供电，输出相同励磁电流，在相同时间内电池消耗能量减低，励磁电源Vch为励磁电路模块中的H桥供电，所述励磁电路的电源模块由单片机控制，当电源电路模块中的单片机端口线P2.3、单片机端口线P2.4为低电平时，励磁电路不供电，没有能量损耗，当电源电路模块中的单片机端口线P2.3、单片机端口线P2.4为高电平时，励磁电路模块开...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜清府，任文建，
申请(专利权)人：山东大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37